ZH1105柴油機氣缸體三面鉆削組合機床總體及左主軸箱設(shè)計【含11張CAD圖紙】
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柴油機氣缸體三面鉆削組合機床總體及左主軸箱設(shè)計
摘 要：柴油機氣缸體是需要大量生產(chǎn)的零件。為了提高加工精度和生產(chǎn)效率，需要設(shè)計一臺組合機床來改善柴油機氣缸體的加工情況。
本課題設(shè)計的是ZH1105柴油機氣缸體三面鉆孔組合機床。用于加工被加工零件左、右、后三個面上的共31個大小不等的底孔。根據(jù)被加工工件的特點以及加工工藝的要求，進行了總體設(shè)計。選定了定位基準，確定了機床的配置形式以及工件的定位夾緊方案，選擇了合適的切削用量、刀具及動力部件。總體設(shè)計主要是繪制被加工零件工序圖、加工示意圖、機床聯(lián)系尺寸總圖和編制生產(chǎn)率計算卡。在完成總體設(shè)計的基礎(chǔ)上，繪制了左主軸箱設(shè)計的原始依據(jù)圖，擬訂了傳動系統(tǒng)，確定了傳動參數(shù)，設(shè)計了軸的結(jié)構(gòu)，進行了齒輪、軸等相關(guān)零件的強度校核計算。該設(shè)計布局合理，為使組合機床能盡快投入生產(chǎn)應(yīng)用，配置結(jié)構(gòu)中充分選用了標準件及通用部件。該機床工藝性良好、方案可行、有實際使用價值。
關(guān)鍵詞：鉆孔；組合機床；主軸箱
Design of General and Left Headstock of Modular Machine Tool for Drilling Holes on Three-Side of engine cylinder body
Abstract: The engine cylinder body is a product which needs mass production. In order to prove the disposition and the production efficiency, need to design a high effective modular machine tool to improve the production of the truck gear box.
The subject is to design a three-side modular machine tool for drilling 31 different holes on ZH1105 engine cylinder body’s left,right ,and behind. Based on the character and the process analysis of the work-piece, the designing system was made. After the location datum were designed, the disposition of machine and the mechanism clamping system being determined, the reasonable cutting data, the cutter and the power part were chosen. Overall to it is process into part process picture, process sketch map , lathe contact size general drawing and work out productivity calculate the card to draw mainly to design. The primitive basis charts of the left-side spindle box were drawn, the transmission system and the parameter were drafted. Then the structure of the axis was designed and the intensity checks of the components of the gear ,axis and so on were carried on .This design layout is reasonable, to make the combination machine tools can be used as soon as possible into production, structure and fully chose standard components. This machine is technology, scheme feasible and practical.
Key word: Drill hole; Modular machine tool; Headstock.
目 錄
1 前言 1
2組合機床總體設(shè)計 3
2.1 總體方案論證 3
2.1.1加工對象工藝性的分析 3
2.1.2機床總體布局的確定 3
2.1.3 定位基準的選擇 4
2.1.4 滑臺型式的選擇 4
2.2 切削用量的確定及刀具選擇 4
2.2.1 切削用量選擇 4
2.2.2切削力、切削扭矩及切削功率計算.....................................5
2.3組合機床總體設(shè)計 7
2.3.1被加工零件工序圖 7
2.3.2加工示意圖.........................................................8
2.3.3機床尺寸聯(lián)系總圖 10
2.3.4 機床生產(chǎn)率計算卡 13
3 組合機床左主軸箱設(shè)計 15
3.1 左主軸箱原始依據(jù)圖的繪制 15
3.2左主軸結(jié)構(gòu)型式的選擇和動力計算 16
3.3 左主軸箱傳動系統(tǒng)的設(shè)計與計算 16
3.3.1 根據(jù)原始依據(jù)圖對坐標尺寸的計算 17
3.3.2 左主軸箱傳動路線的擬訂 17
3.3.3 傳動軸位置及齒輪齒數(shù)的確定 18
3.4 左主軸箱坐標計算、坐標檢查圖的繪制 20
3.4.1傳動軸的坐標的計算 20
3.4.2坐標檢查圖的繪制..................................................21
3.5軸、齒輪、軸承、鍵的校核............................................22
3.5.1軸的校核..........................................................22
3.5.2齒輪的校核........................................................23
3.5.3軸承的壽命校核....................................................25
3.5.4鍵的強度計算......................................................26
3.6左主軸箱前、后蓋及箱體設(shè)計...........................................26
3.7附件的選擇..........................................................26
4結(jié)論..................................................................29參考文獻............................................................... 30致 謝................................................................. 31
附件清單............................................................... 32
1 前言
本次設(shè)計的課題是來源于鹽城市江動集團的關(guān)于ZH1105柴油機箱體三面鉆孔組合機床設(shè)計。ZH1105柴油機是該集團大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品之一，為保證柴油機箱體三面孔的加工和相應(yīng)的位置精度,提高生產(chǎn)效率而設(shè)計一臺三面鉆孔的臥式組合機床。
組合機床是根據(jù)工件加工需要，以大量通用部件為基礎(chǔ)，配以少量專用部件組成的一種高效專用機床[1]。這種機床既具有結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)率和自動化程度較高等特點，又具有一定的重新調(diào)整能力，以適應(yīng)工件變化的需要，它還可以對工件進行多面、多主軸同時加工。組合機床應(yīng)盡可能選用標準件，降低制造成本，同時需考慮實際生產(chǎn)條件，并從機床的合理性、經(jīng)濟性、工藝性、實用性及對被加工零件的具體要求出發(fā)，確定設(shè)計方案。本機床設(shè)計吸取了現(xiàn)有機床加工優(yōu)點，設(shè)計布局合理。滿足機體孔系加工質(zhì)量要求。組合機床行業(yè)雖然取得了較大的進步與發(fā)展，但是，在制造技術(shù)高速發(fā)展的今天，由于自身的基礎(chǔ)比較薄弱，從整體上看，國外的先進水平、與國內(nèi)用戶的要求還存在著一定的差距，滿足不了用戶要求。80年代以來，國外組合機床技術(shù)在滿足精度和效率要求的基礎(chǔ)上，正朝著綜合成套和具備柔性的方向發(fā)展。
組合機床主要用于棱體類零件和復雜的孔面加工，生產(chǎn)率高。加工精度穩(wěn)定，研制周期短，便于設(shè)計、制造和使用維護，成本低。因為通用化、系列化、標準化程度高，通用零部件占70%-90%,通用件可組織批量生產(chǎn)進行預定或外購。自動化程度高，勞動強度低。
組合機床的設(shè)計，目前基本上有兩種情況：其一，是根據(jù)具體加工對象的具體情況進行專門設(shè)計，這是當前最普遍的做法。其二，隨著組合機床在我國機械行業(yè)的廣泛使用，廣大工人總結(jié)自己生產(chǎn)和使用組合機床的經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)組合機床不僅在其組成部件方面有共性，可設(shè)計成通用部件，而且一些行業(yè)在完成一定工藝范圍內(nèi)組合機床是極其相似的，有可能設(shè)計為通用機床，這種機床稱為“專能組合機床”。這種組合機床不需要每次按具體加工對象進行專門設(shè)計和生產(chǎn)，可以設(shè)計成通用品種，組織成批生產(chǎn)，然后按被加工零件的具體需要，配以簡單的夾具及刀具，即可組成加工一定對象的高效率設(shè)備。組合機床的發(fā)展思路是以提高組合機床加工精度、組合機床柔性、組合機床工作可靠性和組合機床技術(shù)的成套性為主攻方向。一方面，加強數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用，提高組合機床產(chǎn)品數(shù)控化率；另一方面，進一步發(fā)展新型部件，尤其是多坐標部件，使其模塊化、柔性化，適應(yīng)可調(diào)可變、多品種加工的市場需求。復合、多功能、多軸化控制裝備的前景亦被看好。然而更關(guān)鍵的是現(xiàn)代通信技術(shù)在機床裝備中的應(yīng)用，信息通信技術(shù)的引進使得現(xiàn)代機床的自動化程度進一步提高。在這些方面組合機床裝備還有相當大的差距，因此組合機床技術(shù)裝備高速度、高精度、柔性化、模塊化、可調(diào)可變、任意加工性以及通信技術(shù)的應(yīng)用將是今后的發(fā)展方向。目前，我國組合機床的研究涉及機床設(shè)計研究[2][3]、加工工藝[4][5] 、加工質(zhì)量改進[6]等，在機床自動化、柔性化等方面的研究與國際發(fā)展水平相比還有不小的差距。
課題由4人來進行設(shè)計，本人主要進行組合機床的總體設(shè)計及左主軸箱設(shè)計。在對組合機床的主軸箱設(shè)計之前，需對被加工零件孔的分布情況及所要達到的技術(shù)要求進行具體分析[7]，如各部件尺寸、材料、形狀、硬度及加工精度和表面粗糙度等內(nèi)容。充分了解組合機床的特點，通過分析主軸箱的工作原理，進行機床的總體方案設(shè)計。首先是總體方案論證，組合機床總體設(shè)計的具體工作是編制“三圖一卡”，即繪制被加工零件工序圖、加工示意圖、機床聯(lián)系尺寸圖，編制生產(chǎn)率計算卡。其次是部件設(shè)計和零件設(shè)計，在主軸箱設(shè)計時，需要繪制主軸箱原始依據(jù)圖，選擇主軸箱的規(guī)格、型號，選擇切削用量[8]，計算切削功率，確定各軸的結(jié)構(gòu)、排布、配合關(guān)系[9][10]，軸的強度、剛度校核等。還需對主軸箱前蓋、后蓋、箱體及附件的設(shè)計[11][12]。在主軸箱設(shè)計中，設(shè)計的主要思路是把原有的多道工序的單孔加工改為多孔同時加工，這樣設(shè)計主要是為了解決由多次裝夾引起的定位誤差問題，保證孔的位置精度。
2 組合機床總體設(shè)計
針對ZH1105柴油機氣缸體，在確定加工工藝的基礎(chǔ)上進行總體方案對比論證。設(shè)計組合機床“三圖一卡”，其內(nèi)容包括：繪制被加工零件工序圖、加工示意圖、機床聯(lián)系尺寸總圖和編制生產(chǎn)率計算卡等。組合機床是針對被加工零件的特點及工藝要求，按工序集中的原則設(shè)計的一種高效率專用機床。在設(shè)計組合機床時，首先應(yīng)根據(jù)柴油機氣缸體三個面上孔的位置精度、表面粗糙度及其他技術(shù)要求，確定被加工零件是否可以利用組合機床加工以及采用組合機床加工是否合理的問題。如果確定可以利用組合機床加工，為使加工過程順利進行，并達到要求的生產(chǎn)率，在分析被加工零件加工工藝資料的基礎(chǔ)上，應(yīng)考慮影響制定零件工藝方案、機床配置型式、結(jié)構(gòu)方案等因素，然后進行分析比較，以確定被加工零件在組合機床上合理可行的加工方法、確定工序間加工余量、選擇合適的切削用量、相應(yīng)的刀具結(jié)構(gòu)、確定機床配置型式等等。
2.1 總體方案論證
2.1.1加工對象工藝性的分析
A.被加工零件特點
被加工零件材料是HT250,硬度HB190～250，共計有31個孔需要加工，在本工序之前各主要表面、主要孔已加工完畢。
B.本機床的加工內(nèi)容及加工精度
本道工序：鉆左、右及后面共計31個孔，由本組合機床完成，具體加工內(nèi)容及加工精度如下：
a)鉆箱體左面：鉆14個Φ6.7的孔，深18；鉆1個Φ10.5的孔，深38.5。
b)鉆箱體右面：鉆9個Φ6.7的孔，深18；鉆1個Φ8.4的孔，深20。
c)鉆箱體后面：鉆6個Φ10.5的孔，深38.5。
C.本次設(shè)計技術(shù)要求
a)機床布局合理，能滿足加工要求，保證加工精度；
b)機床應(yīng)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，工作可靠，結(jié)構(gòu)簡單，裝卸方便，便于維修、調(diào)整；
c)機床盡可能用通用件以便降低制造成本；
d)機床各動力部件用電氣控制，液壓驅(qū)動。
2.1.2機床總體布局的確定
機床的配置型式有立式和臥式兩種。
立式機床的優(yōu)點是占地面積小，自由度大，操作方便，其缺點是機床重心高，振動大。臥式機床的優(yōu)點是加工和裝配工藝性好，振動小，運動平穩(wěn)，機床重心較低，精度高，安裝方便，其缺點是削弱了床身的剛性，占地面積大。機床的配置型式在很大程度上取決于被加工零件的大小、形狀及加工部位等因素。
通過以上的比較，針對ZH1105柴油機箱體的結(jié)構(gòu)特點和需要被加工的部位考慮鉆孔工序是主要工序內(nèi)容。為了保證鉆孔的加工精度和符合被加工零件的加工特點， 我們選擇用臥式組合機床。
2.1.3 定位基準的選擇
組合機床是針對某一個零件或一個零件的某道工序而設(shè)計的。正確選擇定位基準，是保證加工精度的重要條件，同時也有利于實現(xiàn)最大限度的工序集中。
A.定位基準的選擇
本機床為工件一次安裝，同時對31進行加工，其定位基準選擇為：機體的底面定位限制3個自由度，側(cè)面定位限制2個自由度，端面定位限制1個自由度，這種定位方法的特點是：
a)可以簡便地消除工件的六個自由度，使工件獲得可靠的定位；
b)能夠同時加工工件三個端面上的孔，既能高度集中工序，又有利于提高三端面孔的位置精度；
c)本定位基準有利于保證柴油機箱體的加工精度，使機床的許多部件實現(xiàn)通用化，有利于縮短設(shè)計制造周期、降低成本。
B.確定夾緊位置
在選擇定位基準的同時，要有相應(yīng)的夾緊位置。確定夾緊位置要考慮兩個因素：一是保證零件夾壓后的穩(wěn)定；二是盡量減少和避免零件夾壓后變形。針對ZH1105柴油機氣缸體我們采用了液壓夾緊，夾緊部位為剛性較好的筋板上，即箱體的上表面，以減少箱體夾緊變形誤差。
2.1.4 滑臺型式的選擇
與機械滑臺相比較，液壓滑臺的進給量可以無級調(diào)速；可以獲得較大的進給力；零件磨損小，使用壽命長；工藝上要求多次進給時，通過液壓換向閥，很容易實現(xiàn)；過載保護簡單可靠；工作可靠。但采用液壓滑臺的不足之處在于進給量由于載荷的變化和溫度的影響而不夠穩(wěn)定；液壓系統(tǒng)漏油影響工作環(huán)境，浪費能源；調(diào)整維修比較麻煩。本課題的加工對象是ZH1105柴油機氣缸體，為了提高加工效率，降低生產(chǎn)成本，所以選用了液壓滑臺。
2.2 切削用量的確定及刀具選擇
2.2.1 切削用量選擇
在被加工的31個孔中，都是鉆孔加工，所以選擇切削用量時僅從鉆孔方面考慮，具體的鉆孔切削用量從文獻[1]表6-11中選取。由于鉆孔的切削用量與鉆孔深度有關(guān)，隨孔深的增加而逐漸遞減，其遞減值按文獻[1]表6-12選取。鉆孔時，降低進給量的目的是為了減小軸向切削力，以避免鉆頭折斷，降低切削速度主要是為了提高刀具壽命[8]。所有刀具都采用硬質(zhì)合金。
A.對左面15孔的切削用量選擇：
a)鉆孔1～14軸：Φ6.7孔，h=18mm
加工材料為HT200鑄鐵，由d＞6～12,硬度大于190～250HBS，選擇v=10～18m/min,f＞0.1～0.18mm/r,取定v=12.56m/min,f=0.11mm/r,則由文獻[1]P43的公式，
（2-1）
得： n=1000×12.56/(6.7π)597r/min
b)鉆孔15軸: Φ10.5孔，h=38.5mm
加工材料為HT200鑄鐵，由d＞6～12,硬度大于160～200HBS，選擇v=10～18m/min,f＞0.1～0.18mm/r,取定v=21.98m/min,f=0.13mm/r,則由文獻[1]P43的公式，
得： n=1000×21.98/(10.5π)667r/min
B.對右側(cè)面上10個孔的切削用量的選擇：
a)鉆孔16～24,軸：Φ6.7孔，h=18mm
加工材料為HT200鑄鐵，由d＞6～12,硬度大于160～200HBS，選擇v=10～18m/min,f＞0.1～0.18mm/r,取定v=12.56m/min,f=0.11mm/r,則由文獻[1]P43的公式，
得： n=1000×12.56/(6.7π)597r/min
b)鉆孔25軸：Φ8.4孔，h=20mm
加工材料為HT200鑄鐵，由d＞6～12,硬度大于160～200HBS，選擇v=10～18m/min,f＞0.1～0.18mm/r,取定v=15.7m/min,f=0.13mm/r,則由文獻[1]P43的公式，
得： n=1000×15.7/(8.4π)595r/min
C.對后面上6個孔的切削用量的選擇
a)鉆孔26～31 軸：Φ10.5孔，h=38.5mm
加工材料為HT200鑄鐵，由d＞6～12,硬度大于160～200HBS，選擇v=10～18m/min,f＞0.1～0.18mm/r,取定v=21.98m/min,f=0.13mm/r,則由文獻[1]P43的公式，
得： n=1000×21.98/(10.5π)667r/min
2.2.2 切削力、切削扭矩及切削功率的計算
根據(jù)文獻[1]表6-20中公式計算鉆孔
（2-2）
（2-3）
（2-4）
其中中：F -切削力（N）；T-切削轉(zhuǎn)矩（N·㎜）；P-切削功率（kW）；v-切削速度（m/min）；f-進給量（mm/r）；D-加工（或鉆頭）直徑（mm）； HB-布氏硬度， 得HB=200。
則根據(jù)上述公式可得：
A.左面：鉆孔1～14軸Φ6.7：
=
=20377.6N·mm
=1.25kW
鉆孔15軸 Φ10.5：
=
=11867.76N·mm
=0.81kW
B.右面： 鉆孔16～24軸 Φ6.7：
=20377.6N·mm
=1.25kW
鉆孔25軸 Φ8.4：
=531.70N
=1025.71N·mm
=0.059kW
C.后面： 鉆孔26～31軸 Φ10.5：
N
N·mm
=0.81kW
2.3組合機床總體設(shè)計
2.3.1被加工零件工序圖
A.被加工零件工序圖的作用和內(nèi)容
被加工零件工序圖是根據(jù)制定的工藝方案，表示所設(shè)計的組合機床上完成的工藝內(nèi)容，加工部位的尺寸、精度、表面粗糙度及技術(shù)要求，加工用的定位基準、夾壓部位以及被加工零件的材料、硬度和在本機床加工前加工余量、毛坯或半成品情況的圖樣。除了設(shè)計研制合同外，它是組合機床設(shè)計的重要依據(jù)，也是制造、使用、調(diào)整和檢驗機床精度的重要文件。被加工零件工序圖是在被加工零件的基礎(chǔ)上，突出本機床或自動線的加工內(nèi)容，并作必要的說明而繪制的。其主要內(nèi)容包括：
a)被加工零件的形狀和主要輪廓尺寸以及與本工序機床設(shè)計有關(guān)部位結(jié)構(gòu)形狀和尺寸。當需要設(shè)置中間導向時，則應(yīng)把設(shè)置中間導向臨近的工件內(nèi)部肋、壁布置及有關(guān)結(jié)構(gòu)形狀和尺寸表示清楚，以便檢查工件、夾具、刀具之間是否相互干涉。
b)本工序所選用的定位基準、夾壓部位及夾緊方向。以便據(jù)此進行夾具的支承、定位、夾緊和導向等機構(gòu)設(shè)計。
c)本工序加工表面的尺寸、精度、表面粗糙度、形位公差等技術(shù)要求以及對上道工序的技術(shù)要求。
d)注明被加工零件的名稱、編號、材料、硬度以及加工部位的余量。
B.繪制被加工零件工序圖的規(guī)定及注意事項
a)繪制被加工零件工序圖的規(guī)定：應(yīng)按一定的比例，繪制足夠的視圖以及剖面；本工序加工部位用粗實線表示；定位用定位基準符號表示，并用下標數(shù)表明消除自由度符號；夾緊用夾緊符號表示，輔助支承用支承符號表示。
b)繪制被加工零件工序圖注意事項
本工序加工部位的位置尺寸應(yīng)與定位基準直接發(fā)生關(guān)系。
對工件毛坯應(yīng)有要求，對孔的加工余量要認真分析。在鉆孔時，其大孔單邊余量應(yīng)小于相鄰兩孔半徑之差，以便鉆頭能通過。
當本工序有特殊要求時必須注明。如精鉆孔時，當不允許有退刀痕跡或者允許有某種形狀的刀痕時必須注明。有如薄壁或孔底部壁薄，加工螺紋時螺紋底孔深度不夠及能否鉆通等[1]。
圖2-1所示為被加工零件工序圖。
圖2-1 被加工零件工序圖
2.3.2 加工示意圖
零件加工的工藝方案要通過加工示意圖反映出來。加工示意圖表示被加工零件在機床上的加工過程，刀具、輔具的布置狀況以及工件、夾具、刀具等機床各部件間的相對位置關(guān)系，機床的工作行程及工作循環(huán)等。
A.導向結(jié)構(gòu)的選擇
組合機床鉆孔時，零件上孔的位置精度主要是靠刀具的導向裝置來保證的。導向裝置的作用是：保證刀具相對工件的正確位置；保證刀具相互間的正確位置；提高刀具系統(tǒng)的支承剛性。
B.確定主軸、尺寸、外伸尺寸
在本課題中，主軸是用于鉆孔的，鉆孔選用滾珠軸承主軸。鉆孔時采用剛性連接，主軸采用長主軸。
根據(jù)由選定的切削用量計算得到的切削轉(zhuǎn)矩T，由文獻[1]P43頁公式
（2-5）
式中，d表示軸的直徑（㎜）；T表示軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩（N·m）；B表示系數(shù)，本課題中鉆孔主軸為非剛性主軸，取B=6.2。
由公式可得：
左面 軸1～14 d=13.42mm 取定d=22㎜
軸15 d=19.77mm 取定d=30㎜
右面 軸16～21 d=13.74mm 取定d=30㎜
后面 軸22～30 d=13.39mm 取定d=22㎜
軸31 d=17.43mm 取定d=30㎜
根據(jù)主軸類型及初定的主軸軸徑，文獻[1]表3-6可得到主軸外伸尺寸及接桿莫氏圓錐號。滾珠長主軸軸徑d=20㎜時，主軸外伸尺寸為：D/d1=32/20,L=115㎜；接桿莫氏圓錐號為2。滾珠長主軸軸徑d=15㎜時，主軸外伸尺寸為：D/d1=25/16,L=1815㎜；接桿莫氏圓錐號為1。
C.選擇接桿、浮動卡頭
在鉆、擴、鉸、锪孔及倒角等加工小孔時，通常都采用接桿（剛性接桿）。各主軸的外伸長度和刀具均為定值，為保證主軸箱上各刀具能同時到達加工終了位置，須采用軸向可調(diào)整的接桿來協(xié)調(diào)各軸的軸向長度，以滿足同時加工完成孔的要求。
為提高加工精度、減少主軸位置誤差和主軸振擺對加工精度的影響，在采用長導向或雙導向進行鉆孔時，一般孔的位置精度靠夾具保證。為避免主軸與夾具導套不同而引起的刀桿“別勁”現(xiàn)象影響加工精度，均可采用浮動卡頭連接。
所以鉆孔一般采用剛性連接。
D.動力部件工作循環(huán)及行程的確定
a)工作進給長度L工的確定
工作進給長度L工，應(yīng)等于加工部位長度L（多軸加工時按最長孔計算）與刀具切入長度L1和切出長度L2之和。切入長度一般為5～10㎜，根據(jù)工件端面的誤差情況確定。
鏜孔時，切出長度一般為5～10mm；鉆孔時，切出長度一般為d+(3～8)mm。
當采用復合刀具時,應(yīng)根據(jù)具體情況決定。所以得出以下結(jié)果:
左主軸箱：工進長度： =8+12=20mm
右主軸箱：工進長度： =8+12=20mm
后主軸箱：工進長度： =6+14=20mm
b)快速進給長度的確定
快速進給是指動力部件把刀具送到工作進給位置，其長度按具體情況確定。初步選定三個主軸箱上刀具的快速進給長度分別為210mm,210mm,210mm。
c)快速退回長度的確定
快速退回長度等于快速進給和工作進給長度之和。由已確定的快速進給和工作進給長度可知，三面快速退回長度分別為230mm,230mm,230mm。
d)動力部件總行程的確定
動力部件總行程除了滿足工作循環(huán)向前和向后所需的行程外，還要考慮因刀具磨損或補償制造、安裝誤差，動力部件能夠向前調(diào)節(jié)的距離（即前備量）和刀具裝卸以及刀具從接桿中或接桿連同刀具一起從主軸孔中拿出時，動力部件需要后退的距離（刀具退離夾具導套外端面的距離應(yīng)大于接桿插入主軸孔內(nèi)或刀具插入接桿孔的長度，即后備量）。因此，動力部件的總行程為快退行程與前后備量之和。圖2-2為被加工零件的加工示意圖。
圖2-2 加工示意圖
2.3.3機床尺寸聯(lián)系總圖
機床聯(lián)系尺寸總圖是以被加工零件工序圖和加工示意圖為依據(jù)，并按初步選定的主要通用部件以及確定的專用部件的總體結(jié)構(gòu)而繪制的。
繪制機床聯(lián)系尺寸總圖之前應(yīng)確定的主要內(nèi)容
A.選擇動力部件
a)動力箱型號的選擇
動力箱規(guī)格要與滑臺匹配，其驅(qū)動功率主要依據(jù)多軸箱所需傳遞的切削功率來選用。由切削用量計算得到的各主軸的切削功率的總和，根據(jù)文獻[1]P47公式
式中, —消耗于各主軸的切削功率的總和（kW）；
—多軸箱的傳動效率,加工黑色金屬時取0.8～0.9，加工有色金屬時
（2-6）
取0.7～0.8；主軸數(shù)多、傳動復雜時取小值，反之取大值。
本課題中，被加工零件材料為灰鑄鐵，屬黑色金屬，又主軸數(shù)量較多、傳動復雜，故取。
左主軸箱： =0.090+0.090+0.041=0.311kW
則==0.3659kW
右主軸箱： =4×0.096+0.059=0.443kW
則==0.52kW
后主軸箱： =0.1004×3+0.0696=0.3708kW
則==0.436kW
b)動力滑臺型號的選擇
根據(jù)選定的切削用量計算得到的單根主軸的進給力，按文獻[1]的62頁公式
(2-7)
計算。
式中，F(xiàn)i—各主軸所需的軸向切削力，單位為N。
則:
左主軸箱 =3×876.78+376.39=3006.73N
右主軸箱 =4×892.39+531.70=4102.26N
后主軸箱 =3×921.91+585.90=3006.73N
實際上,為克服滑臺移動引起的摩擦阻力，動力滑臺的進給力應(yīng)大于F。又考慮到所需的最小進給速度、切削功率、行程、主軸箱輪廓尺寸等因素，為了保證工作的穩(wěn)定性，由文獻[1]表5-1，左、右、后面都選用液壓滑臺1HY32IA型，臺面寬320mm，臺面長800mm，滑臺及滑座總高為320mm，允許最大進給力為20000N；其相應(yīng)的側(cè)底座型號為1CC401。
根據(jù)液壓滑臺的配套要求，滑臺額定功率應(yīng)大于電機功率的原則，查文獻[1]表5-38得出動力箱及電動機的型號,見表2-1。
表 2-1 動力箱及電動機的型號
主軸箱
動力箱型號
電動機型號
電動機功率(kW)
電動機轉(zhuǎn)速(r/min)
輸出軸轉(zhuǎn)速(r/min)
左主軸箱
1TD32-Ⅰ
Y100L1-4
2.2
1430
960
右主軸箱
1TD32-Ⅰ
Y100L1-4
2.2
1430
960
后主軸箱
1TD32-Ⅰ
Y100L1-4
2.2
1430
960
c)配套通用部件的選擇
側(cè)底座1CC401型號，其高度H=560mm，寬度B=900mm，長度L=1350mm。
B.確定機床裝料高度H
裝料高度是指機床上工件的定位基準面到地面的垂直距離。在確定之前，首先要考慮工人操作的方便性，還要考慮車間運送共建的滾到高度，工件最低孔的位置，主軸箱最低主軸高度和通用不見的高度尺寸的限制。本課題中，工件最低孔位置h2=103㎜，主軸箱最低主軸高度h1=102.5㎜，所選滑臺與滑座總高h3=320㎜，側(cè)底座高度h4=560㎜，夾具底座高度h5=195㎜，中間底座高度h6=560㎜，綜合上述因素，該組合機床裝料高度取H=755㎜。
C.確定夾具輪廓尺寸
主要確定夾具底座的長、寬、高尺寸。工件的輪廓尺寸和形狀是確定夾具底座輪廓尺寸的基本依據(jù)。具體要考慮布置工件的定位、限位、夾緊機構(gòu)、刀具導向裝置以及夾具底座排屑和安裝等方面的空間和面積需要。夾具底座的高度尺寸，一方面要保證其有足夠的高度，同時考慮機床的裝料高度、排屑的方便性和便于設(shè)置定位、夾緊機構(gòu)。一般不小于240 mm。本機床夾具的長度為630mm，寬度為408mm，高度為620mm。
D.確定中間底座尺寸
中間底座的頂面安裝夾具或輸送部件，側(cè)面與側(cè)底座或立柱底座相連接，并通過端面鍵或定位銷定位。根據(jù)機床配置形式不同，中間底座有多種形式，如：雙面臥式組合機床的中間底座，兩側(cè)面都安裝側(cè)底座；三面臥式組合機床的中間底座為三面安裝側(cè)底座；立式回狀工作臺式組合機床，除了安裝立柱外，還需安裝回轉(zhuǎn)工作臺?？傊虚g底座的結(jié)構(gòu)，尺寸需根據(jù)工件的大小、形狀以及組合機床的配置形式等來確定。因此，中間底座一般按專用部件進行設(shè)計，但為了不致使組合機床的外廓尺寸過分繁多，中間底座的主要尺寸應(yīng)符合國家標準規(guī)定。
確定中間底高度尺寸時，應(yīng)考慮鐵屑的儲存及排除電氣接線安排，中間底座高度一般不小于540mm。
本機床確定中間底座高度為560mm。
E.確定主軸箱輪廓尺寸
主要需確定的尺寸是主軸箱的寬度B和高度H及最低主軸高度h1。主軸箱寬度B、高度H的大小主要與被加工零件孔的分布位置有關(guān)，可按文獻[1]P49公式計算：
B=b+2b1 （2-8）
H=h+h1+b1 （2-9）
式中：b—工件在寬度方向相距最遠的兩孔距離（㎜）；
b1—最邊緣主軸中心距箱外壁的距離（㎜）；
h—工件在高度方向相距最遠的兩孔距離（㎜）；
h1—最低主軸高度（㎜）。
其中，h1還與工件最低孔位置（h2=103㎜）、機床裝料高度（H=880㎜）、滑臺滑座總高（h3=320㎜）、側(cè)底座高度（h4=560㎜）等尺寸有關(guān)。對于臥式組合機床， h1要保證潤滑油不致從主軸襯套處泄漏箱外，通常推薦h1＞85-140㎜，本組合機床按文獻[1]P50公式
h1=h2+H-(0.5+h3+h4) （2-10）
計算，得： h1=102.5㎜。
b=100㎜,h=125.125㎜,取b1=100㎜，則求出主軸箱輪廓尺寸：
B=b+2b1=100+2×100=300㎜
H=h+h1+b1=125.125+102.5+100=327.625㎜
根據(jù)上述計算值,按主軸箱輪廓尺寸系列標準，左,右主軸箱輪廓尺寸都預定為B×H=408㎜×620㎜，后主軸箱輪廓尺寸預定為B×H=6408㎜×620㎜ 。
2.3.4 機床生產(chǎn)率計算卡
A.理想生產(chǎn)率(單位為件/h)是指完成年生產(chǎn)綱領(lǐng)A(包括備品及廢品率)所要求的機床生產(chǎn)率。它與全年工時總數(shù)tk有關(guān),一般情況下,單班制tk取2350h,兩班制tk取4600h,由文獻[1]的51頁公式
（2-11）
得： =50000/2350=21.28件/h
B.實際生產(chǎn)率(單位為件/h)是指所設(shè)計機床每小時實際可生產(chǎn)的零件數(shù) （2-12）
式中:——生產(chǎn)一個零件所需時間(min)，可按下式計算：
（2-13）
式中:——分別為刀具第、工作進給長度,單位為mm;
——分別為刀具第、工作進給量,單位為mm/min;
——當加工沉孔、止口、锪窩、倒角、光整表面時，滑臺在死擋鐵上的停留時間，通常指刀具在加工終了時無進給狀態(tài)下旋轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn)所需的時間，單位min;
——分別為動力部件快進、快退行程長度，單位為mm;
——動力部件快速行程速度。用機械動力部件時取5～6m/min;用液壓動力部件時取3～10m/min;
——直線移動或回轉(zhuǎn)工作臺進行一次工位轉(zhuǎn)換時間，一般取0.1min;
——工件裝、卸（包括定位或撤銷定位、夾緊或松開、清理基面或切屑及吊運工件）時間。它取決于裝卸自動化程度、工件重量大小、裝卸是否方便及工人的熟練程度。通常取0.5～1.5min。
如果計算出的機床實際生產(chǎn)率不能滿足理想生產(chǎn)率要求,即,則必須重新選擇切削用量或修改機床設(shè)計方案。
已知: 鉆左面孔 =20mm;400×0.104=41.2mm/min
=210mm =230mm
鉆右面孔 =20mm; 431×0.104=44.8mm/min
=210mm =230mm
鉆后面孔 =20mm; 444×0.119=52.8mm/min
=210mm =230mm
左面孔
右面孔
后面孔
對多面和多工位加工機床，在計算時應(yīng)以所有工件單件加工最長的時間作為單件工時，所以選擇，
實際生產(chǎn)率:
C.機床負荷率
a)當>時候，機床負荷率為二者之比。
組合機床負荷率一般為0.75～0.90,自動線負荷率為0.6～0.7。典型的鉆、鏜、攻螺紋類組合機床，按其復雜程度確定；對于精度較高、自動化程度高或加工多品種組合機床，宜適當降低負荷率。
b)由文獻[1]的51頁公式得機床負荷率:
（2-14）
3 組合機床左主軸箱設(shè)計
本人的設(shè)計任務(wù)是ZH1105柴油機氣缸體三面鉆孔組合機床總體及左主軸箱部分的設(shè)計。左軸箱是組合機床的重要專用部件。它是根據(jù)加工示意圖和主軸類型設(shè)計的運動的動力部件，其動力來源于通用的動力箱。它與傳動箱一起安裝在進給滑臺上，可完成鉆孔鏜孔等加工工序。由總體設(shè)計部分可知，我所需要設(shè)計的主軸箱輪廓尺寸為400×400，屬于大型通用主軸箱，結(jié)構(gòu)典型，能利用通用的箱體和傳動件；采用標準主軸，借助導向套引導刀具來保證被加工孔的位置精度。
通用主軸箱設(shè)計的順序是：繪制主軸箱設(shè)計原始依據(jù)圖；確定主軸結(jié)構(gòu)、軸徑及齒輪 模數(shù)；擬訂傳動系統(tǒng)；計算主軸、傳動軸坐標，繪制坐標檢查圖；繪制主軸箱總圖，零件圖及編制組件明細表[1]。
3.1 左主軸箱原始依據(jù)圖的繪制
左主軸箱原始依據(jù)圖是根據(jù)“三圖一卡”繪制的。
圖3-1所示為ZH1105柴油機氣缸體三面鉆鏜孔組合機床左主軸箱設(shè)計原始依據(jù)圖,表3-1所示為各主軸外伸尺寸及各孔的切削用量。
圖3-1 原始依據(jù)圖
注：1.被加工零件編號及名稱：ZH1105柴油機
材料及硬度：HT200 160-200HBS。
2.動力部件1TD32- I，Y100L1-4，P主=2.2Kw,n=960r/min。
表3-1 左主軸外伸尺寸及孔的切削用量
軸 號
D/d
L
工序內(nèi)容
n(r/min)
v(m/min)
f(mm/r)
1～14
22/15
115
鉆Φ6.7
597
12.56
0.11
15
30/20
115
鉆Φ10.5
595
21.98
0.13
3.2左主軸結(jié)構(gòu)型式的選擇和動力計算
A.主軸結(jié)構(gòu)型式的選擇
主軸結(jié)構(gòu)的選擇包括軸承型式的選擇和軸頭結(jié)構(gòu)的選擇。軸承型式是左主軸部件結(jié)構(gòu)的主要特征。主軸進行鉆削加工，軸向切削力較大，用推力球軸承承受軸向力，用深溝球軸承承受徑向力。又因鉆削時軸向力是單向的，因此推力球軸承應(yīng)安排在主軸前端，主軸采用滾珠主軸,前支承為推力球軸承、深溝球軸承，后支承滾錐軸承，主軸進行鉆削時，前后支承均為滾錐軸承。
鉆孔采用滾珠軸承長主軸是因為長主軸其軸頭內(nèi)孔較長，可增大與刀具尾部連接的接觸面，從而增強刀具與主軸的連接剛度，減少刀具前端下垂。
B.主軸直徑和齒輪模數(shù)的確定
主軸直徑已在總體設(shè)計部分初步確定，見2.3.2。
按同一主軸箱中的模數(shù)規(guī)格最好不多于兩種的原則，用類比法確定齒輪模數(shù)，也可按公式估算。據(jù)文獻[1]P62頁公式估算：
（3-1）
式中，P—齒輪所傳遞的功率，單位為kW；
z—一對嚙合齒輪中的小齒輪齒數(shù)；
n—小齒輪的轉(zhuǎn)速，單位為r/min。
主軸箱中的齒輪模數(shù)常用2、2.5、3、3.5、4幾種。為了便于生產(chǎn)，同一主軸箱中的模數(shù)規(guī)格不要多于兩種[1]。確定本次設(shè)計的模數(shù)均為2.5。
3.3 左主軸箱傳動系統(tǒng)的設(shè)計與計算
左主軸箱傳動設(shè)計，是根據(jù)動力箱驅(qū)動軸位置和轉(zhuǎn)速、各主軸位置及其轉(zhuǎn)速要求，設(shè)計傳動鏈，把驅(qū)動軸和各主軸連接起來，使各主軸獲得預定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。
多軸箱傳動系統(tǒng)的一般要求：
a)在保證主軸的強度、剛度、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的條件下，力求使傳動軸和齒輪的規(guī)格、數(shù)量為最少。為此，應(yīng)盡量用一根傳動軸帶動多根主軸，并將齒輪布置在同一排上。當中心距不符合標準時，可采用齒輪變位或略微改動傳動比的方法解決。
b)盡量不用主軸帶動主軸的方案，否則會增加主軸負荷，影響加工精度。
c)為使結(jié)構(gòu)緊湊，多軸箱內(nèi)齒輪副的傳動比一般要大于(最佳傳動比)，后蓋內(nèi)傳動比允許取至；避免用升速傳動。
d)用于粗加工主軸上的齒輪，應(yīng)盡可能設(shè)置在第Ⅰ排，以減少主軸的扭轉(zhuǎn)變形；精加工主軸上的齒輪，應(yīng)設(shè)在第Ⅲ排，以減少主軸端的彎曲變形。
e)多軸箱內(nèi)具有粗加工主軸時，最好從動力箱驅(qū)動軸齒輪傳動開始，就分兩條傳動路線，以免影響加工精度。
f)剛性鏜孔主軸上的齒輪，其分度圓直徑應(yīng)盡可能大于被加工孔的孔徑，以減少振動，提高運動平穩(wěn)性。
g)驅(qū)動軸直接帶動的轉(zhuǎn)動軸數(shù)不能超過兩根，以免給裝配帶來困難。
3.3.1 根據(jù)原始依據(jù)圖對坐標尺寸的計算
根據(jù)原始依據(jù)圖3-1，計算驅(qū)動軸、主軸的坐標尺寸，如下表3-2所示：
表3-2 驅(qū)動軸、主軸坐標值
坐標
銷O1
驅(qū)動軸O
主軸1
主軸2
主軸3
主軸4
X
0.000
175.000
110.000
147.232
206.000
175.000
Y
0.000
80.000
200.420
132.620
140.420
252.391
3.3.2 左主軸箱傳動路線的擬訂
左主軸箱有15根主軸，這15根主軸為： 軸1～15，傳動軸為16～34，油泵軸35由傳動軸16帶動。
具體傳動路線見圖3-2。
圖3-2 主軸箱傳動樹形圖
3.3.3 傳動軸位置及齒輪齒數(shù)的確定
傳動方案擬訂之后，通過“計算、作圖和多次試湊”相結(jié)合的方法，確定齒輪齒數(shù)和中間傳動軸的位置及轉(zhuǎn)速。
A.由各主軸和驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速求驅(qū)動軸到各主軸之間的傳動比。各主軸轉(zhuǎn)速見表3-3所示。
表3-3 主軸箱主軸轉(zhuǎn)速（r/min）
主 軸
0
1~14
15
轉(zhuǎn) 速
920
400
640
主軸箱總傳動比 ：
B.各軸傳動比分配
主軸箱中軸的分布有同心圓分布及任意分布，同時為滿足主軸上齒輪不過大的要求，最后一級齒輪取升速。
a)左主軸箱各軸傳動比分配：
軸1
軸2
軸3
軸4
b)確定中間傳動軸的位置并配對各對齒輪
傳動軸轉(zhuǎn)速的計算公式：文獻[1]P61～65
（3-2）
（3-3）
（3-4）
（3-5） （3-6）
（3-7）
式中， —嚙合齒輪副傳動比；
—嚙合齒輪副齒數(shù)和；
—分別為主動和從動齒輪齒數(shù)；
—分別為主動和從動齒輪轉(zhuǎn)速，單位為r/min；
—齒輪嚙合中心距，單位為mm；
—齒輪模數(shù)，單位為mm。
C.確定主軸箱內(nèi)中間傳動軸的位置：
確定中間傳動軸5的位置，與傳動軸5相配對的有主軸1、2、3、4，與之相配對的齒輪有Z5/Z1,Z5/Z2,Z5/Z3,Z5/Z4，四對齒輪。
通過公式（2-2）及傳動比 i5-1=0.78、 i5-2=0.78 、i5-4=0.78、i5-4=0.1.22,取m=2.5，可得到齒輪齒數(shù)Z5=Z5=21 ,Z1=Z2=Z3=27,Z5=28,Z4=23。
左主軸箱：
轉(zhuǎn)速相對損失在5%以內(nèi)，符合設(shè)計要求。
由于該主軸箱上有較多的刀具，為了便于更換和調(diào)整刀具，以及裝配和維修時檢查主軸精度，所以在主軸箱上設(shè)置一個以便于手動回轉(zhuǎn)主軸，為了扳動起來輕便，手動軸的轉(zhuǎn)速應(yīng)盡可能高些，且其所處位置要靠近機床操作者的一側(cè)，并留有扳手作用位置活動空間，所以本主軸箱的手柄設(shè)置在緊靠驅(qū)動軸O的位置，即5軸為手柄軸。
D.采用B-ZIR12-2型葉片液壓泵，由軸2經(jīng)一對齒輪傳動
葉片液壓泵轉(zhuǎn)速在400～800r/min范圍內(nèi)，滿足要求。
3.4 左主軸箱坐標計算、坐標檢查圖的繪制
坐標計算就是根據(jù)已知的驅(qū)動軸和主軸的位置及傳動關(guān)系，精確計算各中間傳動軸的坐標。其目的是為左主軸箱箱體零件補充加工圖提供孔的坐標尺寸，并用于繪制坐標檢查圖來檢查齒輪排列、結(jié)構(gòu)布置是否正確合理。
3.4.1傳動軸的坐標的計算
計算傳動軸坐標時，先算出與主軸有直接傳動關(guān)系的傳動軸坐標，然后計算其它傳動軸坐標。根據(jù)傳動軸的傳動形式，傳動軸的坐標計算可分為三種類型：與一軸定距的坐標計算；與兩軸定距的坐標計算；與三軸等距的坐標計算。
在本主軸箱1根傳動軸與1根油泵軸，傳動軸、油泵軸之間可按與一軸定距的坐標計算方法計算，在計算傳動軸5時采用與三軸等距方法求得。計算公式見文獻[1]P72
（3-8）
（3-9） （3-10）
（3-11）
（3-12）
傳動軸5的坐標計算：
圖3-3 與三軸等距傳動軸坐標計算圖
理論中心距
實際中心距
中心距在允差[](0.001～0.009)mm范圍內(nèi)，所以此處要使用標準齒輪。
表3-4 主軸箱傳動軸坐標計算結(jié)果
坐標
傳動軸5
傳動軸6
X
196.61
93.73
Y
188．95
101.80
3.4.2坐標檢查圖的繪制
在坐標計算完成后，繪制坐標及傳動關(guān)系檢查圖，用以全面檢查傳動系統(tǒng)的正確性。坐標檢查圖的主要內(nèi)容有：通過齒輪嚙合，檢查坐標位置是否正確；檢查主軸轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向；進一步檢查各零件間有無干涉現(xiàn)象；檢查液壓泵、分油器等附加機構(gòu)的位置是否合適。
繪制出的坐標檢查圖，如圖3-4所示。
圖3-4左主軸箱坐標檢查圖
3.5 軸、齒輪、軸承、鍵的校核
以軸16和其上的軸承進行校核，主動軸0上面的齒輪和鍵進行校核。
3.5.1軸的校核
圖3-5 軸受力圖
A.求軸向載荷
a)計算齒輪受力
齒輪分度圓直徑為 2.5×31=77.5mm （3-13）
圓周力 =185.56N （3-14）
軸向力 =243.39+243.39=486.78N （3-15）
b)求支反力
左右支點水平面的支反力
=191.97N
=294.81N
=73.192N
=112.402N
c)計算彎矩和扭矩
=73.192×56=4098.752N·mm
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